ウェッブ宇宙望遠鏡は、長年の遅延を経て、ついに発射台に到着しました。これは記念すべき出来事ですが、この望遠鏡はまだ複雑で前例のない試運転プロセスを経る必要があり、完了までには神経をすり減らす6ヶ月かかるでしょう。どうやら、困難な部分はまだこれからのようです。
アメリカ、ヨーロッパ、カナダの宇宙機関が開発し、ロッキード・マーティンなどの民間企業の協力も得ているウェッブ望遠鏡は、「これまでに建造された中で最も複雑で強力な望遠鏡」と評されています。赤外線観測能力を備えたウェッブ望遠鏡は、古代の星や銀河を探し出し、星や太陽系外惑星の形成を研究し、天の川銀河における生命の探査を行います。この宇宙望遠鏡は、文字通り、そして比喩的に、私たちの宇宙観と、宇宙における私たちの位置づけに対する理解を変革する可能性を秘めています。
このミッションへの期待は、ウェッブが2007年に打ち上げられるはずだったという事実によってさらに高まっている。しかし、太陽光遮蔽板に関する大幅な再設計、当初の見積もりのほぼ2倍に上るコスト超過、進行中の技術的ハードル、広範囲にわたるテスト、選択された打ち上げ機に関する問題（息継ぎのための中断）、新型コロナウイルス感染症のパンデミック、およびギアナ宇宙センターでの処理中の問題などが重なり、現在の打ち上げ日は2021年12月25日となった（打ち上げは現在、クリスマスの午前7時20分から7時52分（東部標準時）の間に予定されている）である。
いわば重労働は終わったようですが、Webbが完全稼働を宣言するまでには、まだ多くのステップが残っています。今からそれまでの間に起こり得るあらゆる問題を予測することは不可能ですが、今後6ヶ月の間に問題を引き起こす可能性のある重要な段階、さらには技術的な問題をいくつか挙げることはできます。
その話に入る前に、ウェッブ氏を宇宙へ運ぶアリアネ5ロケットについてお話ししたいと思います。アリアネスペース社のロケットは非常に信頼性が高いのですが、以前から技術的な問題があり、今回の打ち上げに少し不安を感じています。2020年には2回にわたり、アリアネ5ロケットはフェアリング分離時に予期せぬ加速を経験しました。アリアネスペース社はその後この問題を解決し、すべて順調に進んでいるように見えますが、このような事態になったことは残念です。クリスマスの朝、エッグノッグを飲みながら打ち上げを見守る私にとって、この事態は余計に不安を掻き立てるでしょう。
ロケットの壊滅的な故障（どうかご冥福をお祈りします）はさておき、打ち上げは破壊的な振動を引き起こす可能性があります。とはいえ、ウェッブ望遠鏡は想定される振動に耐えられるよう特別に設計されています。2016年の振動試験で、望遠鏡の鏡面羽根を固定するタイダウン、いわゆる「打ち上げ拘束機構」に問題があることが明らかになりました。14,300ポンド（約6,300kg）のこの望遠鏡に対して行われた数々の音響・振動試験では、この問題をはじめとする潜在的な問題は排除されていたはずですが、ウェッブ望遠鏡が実際に宇宙に打ち上げられるまで、真相は分かりません。
ロッキード・マーティンの宇宙科学および計測担当ディレクターのアリソン・ノード氏が電子メールで説明したように、ウェッブは打ち上げに耐えるだけでなく、宇宙への厳しい導入にも耐える必要がある。
「もちろん、JWSTの打ち上げには非常に興奮しています。そして、その賭け金は間違いなく大きいのです」とノード氏は述べた。「打ち上げを含め、宇宙環境は地上とは多くの点で異なります。打ち上げ時の負荷（振動と音響）、真空（空気の不足）、極端な温度（特にウェッブの場合は約-400°F）、そして無重力状態などです」これらは必ずしも地上でテストできるものではありません。
打ち上げシーケンス自体は定型的な手順で、アリアンの側面ブースターは打ち上げ後数分で切り離され、続いてペイロードフェアリングが切り離される。ロケットの下段は必要な推力を供給し続けるが、燃料切れ後は下段も切り離され、上段が推進力を引き継ぐ。その後、宇宙船は露出した望遠鏡の片面に太陽光が当たるのを防ぐため、一連の振動操作を行う必要がある。上段は打ち上げ後約27分で切り離され、その時点でウェッブは自立し、自力で推進力を得る。
打ち上げには常にリスクが伴うが、今回の場合は、その後に起こるあらゆる出来事が最大の問題を引き起こす可能性がある。折り紙の彫刻よりも多くの折り目を持つ宇宙望遠鏡は、比喩的にあくびをしながら、多くの部品を展開しなければならない。
NASAがウェッブに関するFAQで述べているように、宇宙船はミッション開始から約33分後に太陽電池パネルを展開し、「ウェッブが太陽光で発電を開始し、バッテリーの消耗を止めることができるように」します。「ウェッブはすぐに宇宙空間で自らの方向を定め、『飛行』する能力を確立します。」NASAによると、ウェッブの高利得アンテナもこの時点で展開され、「可能な限り早期に、利用可能な最高速度のデータ通信を可能にする」とのことです。
太陽電池パネルの展開は時間的に厳しい作業ですが、最初の軌道修正も同様に重要です。低地球軌道で活動するハッブルとは異なり、ウェッブは第二ラグランジュ点、つまりL2で作業を行います。このスイートスポットは地球と太陽の重力によって非常に安定しており、ウェッブは位置を維持するために過剰な燃料を使用する必要がありません。L2は地球から約100万マイル（150万km）離れた場所にあるため、ウェッブがそこに到達するには丸1か月かかり、その間に探査機はいくつかの軌道修正を行う必要があります。最初の軌道修正はMCC-1aと呼ばれ、ミッション開始から約12.5時間後に行われます。
ウェッブの宇宙での初日は緊張感に満ちたものだったようだが、その後の数週間、数か月にも同様に非常に重要なステップがいくつか含まれ、そのどれか一つでもミッションを危険にさらす可能性があると、SpaceNews は次のように説明している。
しかし、これらの初期展開は最も重要かつリスクの高い作業の一つです。NASAゴダード宇宙飛行センターのJWST主任ミッションシステムエンジニアであるマイク・メンゼル氏は、11月のブリーフィングで、宇宙船には344箇所の単一障害点があり、そのうち80%は展開機構に関連していると述べました。「放出機構がある場合、そこに完全な冗長性を持たせるのは難しいのです」とメンゼル氏は述べました。
たとえば、サンシールドには、140個の解放機構、70個のヒンジアセンブリ、8個の展開モーター、約400個の滑車、および合計400メートルの長さの90本のケーブルが含まれていると、ノースロップ・グラマン社のJWST宇宙船システムエンジニア、クリスタル・プーガ氏は11月のブリーフィングで述べた。
望遠鏡の5層サンシールドの展開作業は、打ち上げから3日後に開始されます。ウェッブ望遠鏡は赤外線望遠鏡であるため、干渉の可能性を最小限に抑えるためにこのシールドが必要です。ウェッブ望遠鏡は熱源を検出するように設計されているため、科学者にとって最も避けたいのは、望遠鏡自身の機器から発生する熱を拾ってしまうことです。打ち上げから1週間後、「最も重要な作業は、すべてのサンシールドの展開と各層の張力調整です」とノード氏はGizmodoに語りました。「サンシールドの展開は、実機テストが最も困難だったため、最も議論を呼んでいます。」ウェッブ望遠鏡のラジエーターの展開など、他の展開作業も同時に行われます。
2週目までに、チームは副鏡三脚の展開と固定、主鏡2枚羽根の回転と固定、主鏡セグメントのロック解除など、望遠鏡の展開作業を完了させる予定です。望遠鏡の完全な展開は、ミッション開始から13日目頃に完了する予定です。この頃には、科学機器が急速に冷却されるため、サンシェードの効果が現れ始めるはずです。
「ウェッブチームは成功を確実にするためにあらゆることをテストするためにできる限りのことを行ってきました。すべての展開が完了し、調整に進むことができれば、私たち全員が少し安心できると思います」とノード氏は語った。
最初の1ヶ月の終わりには、最後の軌道修正（29日目）とWebb衛星のL2軌道への投入が行われます。その後、管制官は観測所の4つの科学機器、すなわち近赤外線カメラ（NIRCam）、近赤外線分光器（NIRSpec）、中間赤外線装置（MIRI）、そして精密誘導センサー／近赤外線イメージング装置兼スリットレス分光器（FGS-NIRISS）の電源投入を行います。
「これらの展開がすべて完了したら、試運転の次のステップは、私が個人的に最も楽しみにしているものです。NIRCam をオンにして、18 個の主鏡セグメントを調整する細心の注意を要するプロセスを開始することです」と Nordt 氏は語りました。
NASAによると、鏡の微調整プロセスを開始するには、「鏡の裏側に搭載された126個の極めて高精度なアクチュエータが、各鏡を特定の処方に合わせて配置し、微妙に曲げたり曲げたりします。このプロセスには数ヶ月かかります」とのことです。ノード氏によると、NIRCamは入射光の歪みを非常に正確に感知でき、このデータにより、個々の鏡セグメントを制御するチームは「それに応じて移動、回転、曲率の変更」を行うことができます。この調整プロセスが完了すると、18個の個々のセグメントが1つの主鏡として機能することになります。「ご想像のとおり、NIRCamからの測定値は、このプロセスが全て機能するためには正確に一致していなければなりません」とノード氏は説明しました。
これらの初期の光学系のチェックアウトと望遠鏡の調整は、2ヶ月目から4ヶ月目にかけて行われます。5ヶ月目と6ヶ月目は、最終的なキャリブレーションとコミッショニングプロセスの完了に取り組みます。ウェッブは、キャリブレーションを支援するために代表的なターゲットの観測を行い、初期デモンストレーションでは、小惑星、彗星、衛星などの天体を追跡する観測所の能力をテストします。その後、チームは予備報告書「早期リリース観測」を作成し、望遠鏡の能力を紹介します。これが完了した後にのみ、正式な科学運用フェーズが開始されます。
Webb は少なくとも 5 年間は機能し続けるはずですが、少なくとも 10 年間、場合によっては 12 年間は動作すると予想されています。その間、望遠鏡は L2 状態を維持するためにエンジンをわずかにバーストする必要がありますが、これらの調整に必要な燃料は最終的に使い果たされ、その後望遠鏡は漂流し、事実上、ミッションの科学段階は終了します。
万が一何か問題が発生した場合、望遠鏡を修理する現実的な方法がなく、今後10年間の科学的ブレークスルーが危ぶまれる中、私たちはクリスマスの朝、胸が張り裂ける思いでいるだろう。これからの10年間は、ウェッブ望遠鏡と、この望遠鏡の使用を計画している多くの天文学者にとって、多忙な10年となるだろう。しかし、これらすべてが実現するには、どうやら星々が完璧に一直線に並ぶ必要があるようだ。
訂正: この記事の以前のバージョンでは、ラグランジュ点 2 は地球と太陽の間にあると誤って記載されていました。実際には、L2 は地球の軌道の外にあります。
